基于無線通信和圖像識別的饋線自動化現場自動測試

劉 彬，李 盼

(1.陜西電力科學研究院，陜西 西安710054；2.大唐移動通信設備有限公司，陜西 西安710061)

0 引言

隨著用戶對供電可靠性需求的不斷提高，配電自動化受到供電業界的廣泛重視。傳統的故障處理性能需要長期運行等待故障發生才能檢驗，導致缺陷不能早期充分暴露和解決[1-3]。

文獻[4-6]對配電自動化系統測試進行了研究，側重對配電自動化主戰、子站和終端的功能和性能進行測試；文獻[7-8]針對配電自動化在線仿真系統與仿真測試環境進行了研究。

近年來，國內許多電力科研單位企業已在配電自動化故障處理性能測試方面取得了突破進展。國網陜西省電力公司電力科學研究院提出二次同步注入測試法，并研制出DATS-2000二次同步注入測試設備[9-10]，上述成果能夠較好地解決配電自動化系統故障處理測試問題，保障了配電自動化系統的建設質量，使其提高供電可靠性的作用切實發揮出來。

二次同步注入測試法雖然可對主站、子站、終端、保護配合、備用電源、通信和饋線開關等在故障處理過程中的相互配合進行測試，但是需要對模擬故障區域上游所有的終端注入故障信息，既需要攜帶大量設備又需要大量測試人員，當配電網規模較大時工作量很大[11-12]。

由于饋線自動化牽扯主站、子站、通道、開關、終端等各方面因素，并與相關設備的參數配置緊密相關，二次同步注入測試法在測試過程中需要專業技術人員在終端側完成接線后并與主站側人員進行實時溝通來確保試驗方案是否正確執行，造成了對測試人員技術要求高、測試結果不能自動判別、測試效率低等問題。

為了解決上述問題，本文提出一種基于無線通信[13-15]和圖像識別[16-18]的饋線自動化現場自動測試方法。

1 配電網饋線自動化現場測試原理

基于無線通信和圖像識別的饋線自動化現場自動測試示意圖如圖1所示，是一種完全自動化閉環運行的“配電自動化系統二次同步注入測試法”。該方法需要在擬模擬故障區段上游的各個配電自動化終端二次側，安置若干研發的移動測試裝置。由測試主控平臺借助于加密的私有無線通信通道，分別向每個移動測試裝置下發測試方案數據，控制移動測試裝置在同一時刻向被測試配電網注入擬模擬故障場景的電流、電壓波形，并借助圖像識別技術對測試結果進行采集及正確性判別。該方法實現了對配電自動化主站、子站、終端、通信、開關設備及繼電保護備用電源等各個環節在故障處理過程中的相互配合進行閉環全自動測試的技術。

圖1 基于無線通信和圖像識別的饋線自動化 現場自動測試示意圖

2 測試系統結構

2.1 基本組成

基于無線通信和圖像識別的配電網饋線自動化現場自動測試系統結構如圖2所示，測試系統由測試主控平臺、圖像采集裝置、無線通信接口和移動測試裝置模擬斷路器等組成。

圖2 饋線自動化現場自動測試系統結構圖

2.2 測試主控平臺

測試主控平臺主要功能模塊包括圖形管理組態模塊、算法(網絡拓撲、潮流計算和短路電流計算)模塊、方案管理控制模塊、數據采集處理(圖像識別、實時數據庫)模塊、自動測試控制模塊、三遙自動測試模塊及故障自動測試模塊。

首先，測試主控平臺借助CIM模型導入或人工編輯的方式對待測饋線進行建模并完成相應的參數配置。其次，測試主控平臺根據正常情況下的負荷參數設定故障場景時的參數，自動生成測試方案。最后，測試主控平臺借助加密的私有無線通信通道分別向各個移動測試裝置下發測試方案，測試過程包含對配電主站、子站、終端、保護配合、備用電源、通信和饋線開關整個環節的故障處理過程進行全程監控，完成對待測饋線的現場自動化測試。

2.3 圖像采集裝置

圖像采集為本方案設計的重點其工作流程如圖3所示，首先，分屏器將配電主站監控工作站畫面進行復制，將復制的監控畫面輸出至圖像采集裝置中。其次，圖像采集裝置對復制的監控畫面進行灰度化、過濾、二值化處理，最終將識別的開關狀態、遙測信息、遙信信息等結果輸出至測試主控平臺。

圖3 圖像采集流程圖

圖像識別的流程如圖4所示，測試主控平臺通過圖像采集裝置選出所需識別的開關狀態及對應的模擬量信息。一方面用于開關狀態識別，通過調用開關識別模塊，將模擬斷路器上送的開關變位信息與實際工作站中的開關狀態進行比對，若比對結果一致，將結果進行輸出；另一方面用于開關模擬量的識別，調用數字識別模塊對采集的監控畫面中開關的模擬量進行數字化處理，其輸出結果與被測線路中對應開關模擬量進行比對，若結果一致，將結果進行輸出。

圖4 圖像識別流程圖

2.4 無線通信接口

無線通信接口組網方式作為本方案的關鍵點，其組成結構如圖5所示，主要包括移動測試裝置內置WIFI模塊、通信代理MIFI模塊、模擬斷路器內置WIFI模塊、測試主控平臺內置WIFI模塊、無線公網4G組成。移動測試裝置內置WIFI模塊通過通信代理MIFI模塊進行上網、測試主控平臺通過通信代理MIFI模塊進行上網、模擬斷路器內置WIFI模塊直接上網，三者之間應用無線公網4G移動通信技術建立通信實現數據交互。

圖5 無線通信接口組網示意圖

2.5 移動測試裝置

現場測試時，將移動測試裝置與各個配電終端二次回路進行連接，向終端發送電壓信號和電流信號，并模擬產生相應的開關量信號。移動測試裝置主要由前端采樣模塊、同步故障發生器、GPS模塊和儲能蓄電池柜組成。

前端采樣模塊采集二次側的電壓、電流及勵磁涌流信息并輸出控制試驗過程的開關量，同步故障發生器根據測試主控平臺下裝的測試方案及前端采樣模塊輸出的開關量向配電終端定時輸出電壓、電流信號，整個方案的執行過程都是通過GPS衛星時間同步系統同步完成工作，同時考慮戶外試驗可能缺少電源的情況，使用儲能電池柜作為系統的備用電源對整個模塊進行供電。

2.6 模擬斷路器

模擬斷路器由2個模擬控制模塊和內置無線WIFI模塊組成。一方面2個控制模塊代替真實開關，將配電自動化終端到真實開關的控制回路斷開，而接至模擬斷路器，實現不停電測試功能；另一方面是內置無線WIFI模塊借助其通信代理MIFI模塊將模擬斷路器的實時狀態上傳至無線通信接口處，此外，測試主控平臺也可通過無線公網4G實現對模擬短路器的遠程操作。

3 測試步驟

配電網饋線自動化現場自動測試流程如圖6所示，具體步驟如下：

① 在測試主控平臺建立被測饋線電網試驗模型，錄入被測饋線參數和策略表，設定被測饋線的運行方式和故障場景。

② 布置于不同地點的移動測試裝置接入相應的被測配電終端的二次側，具體方法為：將配電終端二次電流回路在電流試驗端子外側短連，移動測試裝置電流輸出加入到電流試驗端子內側，其短連片打開；將配電終端二次電壓回路斷開，移動測試裝置電壓輸出加入到配電終端電壓輸入端子；將配電終端的分合閘控制信號接入模擬斷路器。

③ 在配電自動化主站系統側，測試主控平臺通過圖像采集裝置與主站系統監控工作站連接，用于監視采集被測饋線開關狀態等量測信息。

④ 測試主控平臺通過無線通信接口與移動測試裝置、模擬斷路器進行組網，完成相關通信參數的配置，同時通過GPS對時技術完成各測試設備間的時間同步。

⑤ 測試主控平臺采用電網仿真計算生成各個測試裝置的測試方案，測試方案包括故障前場景數據、故障場景數據、故障后場景數據；每個場景數據包括電壓波形、電流波形及持續時間。

⑥ 測試主控平臺通過無線通信接口下發測試方案至各個移動測試裝置。

⑦ 測試主控平臺下發試驗開始時間，各個移動測試裝置接收到開始試驗命令后，等待試驗開始時刻。

⑧ 試驗開始時間到時，各個移動測試裝置按照測試方案同步輸出測試場景數據，即包括負荷場景、多個故障場景的電壓、電流模擬信號。

⑨ 在配電自動化主站系統側，通過圖像采集裝置完成對被測饋線開關狀態等測試數據的采集，并將測試數據傳輸至測試主控平臺。

⑩ 測試主控平臺自動對測試結果數據進行分析，與內置策略表進行對比分析，對測試結果進行正確性判斷、并形成測試報告。

圖6 配電網饋線自動化的現場自動測試方法流程

4 應用情況

在西安、蘭州、西寧等地現場選擇部分線路采用基于具有無線通信和圖像識別的饋線自動化自動測試方法進行測試，主站側、現場終端側各安排1名測試人員，在現場操作人員按照標準化完成各移動裝置之間的接線，測試主控平臺借助于加密的私有無線通信通道，分別向每個移動測試裝置下發測試方案數據，控制移動測試裝置在同一時刻向被測試配電網注入擬模擬故障場景的電流、電壓波形，并借助圖像識別技術對測試結果進行采集及正確性判別。

試驗結束后，測試主控平臺可通過無線通道平臺對現場的模擬斷路器進行復歸，減少測試人員的工作量，提高了測試效率。

除此之外，基于無線通信和圖像識別的配電網二次同步注入測試方法與其他測試方法相比，還具有以下優勢：

在測試過程中所使用的無線通道與配電網自動化主網相互隔離、相互獨立，從而保證了配電網主網的安全性。

在整個測試過程中，不僅不受主站廠家的約束，具有普遍推廣的價值，而且也無需配電自動化主站系統開放權限來采集所需的電壓、電流等數據信息，沒有與配電自動化主站系統直接進行數據交互，保障了配電網網絡的安全性。

測試過程中，只需終端側留守1名測試人員完成測試所需硬件設備的接線，主站側測試人員就可實現對待測饋線自動化系統的閉環自動測試，這樣以來，不僅降低了對現場測試人員的技術要求，而且也減少了現場溝通時間，大大地提高了測試效率。

5 結束語

本文提出了一種基于無線通信和圖像識別的配電網二次同步注入測試的方法，該方法需要在擬模擬故障區段上游的各個配電自動化終端二次側，安置若干研發的移動測試裝置。由測試主控平臺借助于加密的私有無線通信通道，分別向每個移動測試裝置下發測試方案數據，控制移動測試裝置在同一時刻向被測試配電網注入擬模擬故障場景的電流、電壓波形，并借助圖像識別技術對測試結果進行采集及正確性判別。該方法實現了對配電自動化主站、子站、終端、通信、開關設備、繼電保護備用電源等各個環節在故障處理過程中的相互配合進行閉環全自動測試的技術，從而實現了對饋線自動化的現場自動測試，提高了測試效率，降低了測試成本。

[1] 劉健，劉東，張小慶.配電自動化系統測試技術[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[2] 劉健，趙樹仁，張小慶.中國配電自動化的進展及若干建議[J].電力系統自動化，2012,36(19)：12-16.

[3] 沈兵兵，吳琳，王鵬.配電自動化試點工程技術特點及應用成效分析[J].電力系統自動化，2012,36(18)：27-32.

[4] 劉東.配電自動化系統試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5] 劉東，閆紅漫.配電自動化系統試驗技術及其進展[J].電工技術雜志，2004，6(7)：34-37.

[6] 劉東，閆紅漫，丁振華，等.饋線自動化的出廠試驗與現場試驗技術方案[J].電力系統自動化，2005，29(3)：81-85.

[7] 劉健，倪建立.配電網自動化新技術[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[8] 翁之浩，劉東，柳勁松，等.基于并行計算的饋線自動化仿真測試環境[J].電力系統自動化，2009，33(7)：43-46.

[9] 劉健，張小慶，趙樹仁.主站與二次同步注入的配電自動化故障處理性能測試方法[J].電力系統自動化，2014，38(7)：118-122.

[10] 劉健，沈兵兵，趙江河，等.現代配電自動化系統(第7章)[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[11] 劉東.配電自動化系統試驗：電力試驗技術叢書[M].北京：中國電力出版社，2004.

[12] 劉健，張小慶，趙樹仁.配電自動化故障處理性能主站注入測試法[J].電力系統自動化，2012，36(18)：67-71.

[13] 胡偉,陶孝鋒,任德鋒.LEO星地Wi-Fi方案設計與驗證[J].電訊技術,2017,57(8):916-922.

[14] 范穎,高新華.廣州供電局配網自動化系統的新技術應用及研究[J].南方電網技術,2009,3(5):64-68.

[15] 張正華,徐楊,劉平.基于WiFi和電力載波的智能家居控制系統設計[J].無線電工程,2016,46(5):9-11,44.

[16] 周巖,周苑,王旭輝.基于有限離散剪切波變換的灰度圖像融合[J].計算機工程,2016,42(12):222-227.

[17] 楊陶,田懷文,劉曉敏.基于邊緣檢測與Otsu的圖像分割算法研究[J].計算機工程,2016,42(11):255-260,266.

[18] 劉亞偉,李小民.二值特征匹配跟蹤算法的快速性和魯棒性比較[J].無線電工程,2016,46(11):30-33.